Weißbuch
Diese leistungsstarke Technologie ermöglicht die Abbildung einzelner extrem schneller Ereignisse mit einer Bildrate von 1 Billion Bildern pro Sekunde
Überblick
Die sequenzielle zeitgesteuerte Total-Light-Mapping-Fotografie (STAMP)Coherent AstrellaVideosignale im Zeitbereich von etwa 100 Femtisekunden bis zu einigen Nanosekunden aufzunehmen. Diese Technik kann beispielsweise zur Untersuchung der Erzeugung und Ausbreitung von Terahertz-Wellen (~100 fs), der Plasmadynamik bei Laserabtragungsprozessen (~1 ps) und von Stoßwellen in Wasser (~1 ns) eingesetzt werden.
Der Bedarf an Hochgeschwindigkeits-Bildgebungsverfahren
Traditionell werden ultraschnelle Phänomene mit der Pump-Probe-Methode beobachtet. Bei dieser Technik wird die zu untersuchende Probe durch Laserimpulse angeregt, und nach einer bestimmten kurzen Verzögerung nimmt ein Detektionsimpuls eine Momentaufnahme auf. Anschließend wird die Verzögerungszeit bei jeder Aufnahme schrittweise erhöht, wodurch ein Video entsteht. Diese Technik erfordert jedoch wiederholte Messungen, da bei jeder Anregung der Probe nur ein einzelnes Bild aufgenommen werden kann.
Die Forschungsgruppe von Prof. Keiichi Nakagawa (Universität Tokio)befasst sich hauptsächlich mit der Wechselwirkung von Schallwellen und Licht mit Materialien (insbesondere lebendem Gewebe). Vor einigen Jahren erkannten sie, dass ein Verfahren zur ultraschnellen Abbildung einzelner dynamischer (nicht wiederholbarer) Vorgänge benötigt wurde, beispielsweise zur Darstellung der Ausbreitung von Schallwellenfronten. Um diesem Bedarf gerecht zu werden, entwickelten sie daher STAMP [1].
Vor einigen Jahren wurde ihnen bewusst, dass ein Verfahren zur ultraschnellen Abbildung einzelner dynamischer (nicht wiederholter) Vorgänge benötigt wurde, wie beispielsweise die Ausbreitung von Schallwellenfronten. Daher entwickelten sie STAMP, um diesem Bedarf gerecht zu werden.
Wie funktioniert diese Methode?
Das Grundprinzip von STAMP ist in Abbildung 1 dargestellt. STAMP nutzt den Coherent High Astrella , der sich durch Astrella und eine ausreichende Einzelpulsenergie auszeichnet. Zunächst wird der Femtosekundenpuls durch eine Chirp-Modulation aufgeweitet, wodurch Laserlicht unterschiedlicher Wellenlängen entsteht, das die Probe mit versetzten Zeitverzögerungen erreicht. Nakagawa bezeichnet diesen Teil als „Zeitabbildung“.
Wenn der Laser die Probe durchdringt, wird jeder Teilimpuls nach seiner Wellenlänge aufgespalten und anschließend von einem bestimmten Bereich des Detektorarrays (CCD oder CMOS) erfasst. So wird jeder Bereich zu einem eigenständigen Videobild. Die Art und Weise, wie die Laserimpulse ausgesendet und erfasst werden, ähnelt in gewisser Weise einer schnellen Blitzbelichtung und Bildaufnahme.
Abb. 1:STAMP zerlegt den Laserimpuls in Teilimpulse unterschiedlicher Wellenlänge (mit zeitlicher Verzögerung). Nach der Bestrahlung der Probe werden die Teilimpulse nach Wellenlänge getrennt und auf einem Detektorarray erfasst [1].
Erweiterung der STAMP-Leistung
Seit der ersten Entwicklung dieser Technologie hat das Nakagawa-Team STAMP kontinuierlich weiterentwickelt und dessen Funktionen in dreierlei Hinsicht erweitert. Ein Ansatz bestand in der Entwicklung neuer Techniken zur Impulstemporalisierung. Ursprünglich nutzten sie die natürliche Dispersion in Glasstäben oder Glasfasern, um die Temporalisierung zu realisieren. Damit ließen sich jedoch nur Zeitskalen im Pikosekundenbereich oder noch kürzer realisieren.
Um den Nanosekundenbereich zu erreichen, haben sie kürzlich eine optische Vorrichtung namens „Spektralschleife“ entwickelt. Bei diesem Verfahren wird der Lichtimpuls zunächst räumlich gechipt und anschließend eingefangen, wobei er in einem von vier Spiegeln erzeugten Strahlengang zirkuliert (siehe Abbildung 2). Die Anzahl der Umläufe, die das Licht vor seinem Austritt durchläuft, hängt von der Wellenlänge ab. Bei jeder Umdrehung wird ein Teilimpuls freigesetzt, dessen Wellenlänge länger ist als die des vorherigen Teilimpulses. Auf diese Weise entstehen Teilimpulse im Nanosekundenbereich.
Darüber hinaus erproben sie auch neue räumliche Abbildungsmethoden im Rahmen des STAMP-Projekts. So haben sie beispielsweise einen raffinierten Mehrfachspiegel entwickelt, den sie als „Slicing-Spiegel“ bezeichnen. Mit diesem Mehrfachspiegel lassen sich Doppelimpulse auf zwei Detektoren im 3×3-Raster abbilden, wodurch ein Videomuster mit insgesamt 18 Einzelbildern entsteht, die alle eine hohe räumliche Pixelauflösung aufweisen.
Darüber hinaus hat die Nakagawa-Gruppe ein mehrfarbiges STAMP-Verfahren entwickelt, ein völlig neues Konzept für die ultraschnelle Einzelereignis-Bildgebung. Wie beim zweifarbigen STAMP erzeugenCoherent Impulsean der zweiten Harmonischen Astrella und kombinieren diese 400-Nanometer-Teilimpulse mit den grundlegenden 800-Nanometer-Teilimpulsen, um ihre Technik umzusetzen. Dieses Verfahren ermöglicht die Erzeugung von „Farbbildern“ ultraschneller Phänomene und damit eine beispiellos schnelle spektrale Bildgebung.
Abb. 2: Aufbau des Spektralkreises; die Anzahl der Durchläufe und die Verzögerungszeit hängen von der Impulswellenlänge ab [2].
STAMP für die Prozessüberwachung
Die Forschungsgruppe Nakagawa nutzt STAMP zur Prozessüberwachung in Bereichen wie der industriellen Materialbearbeitung und den Biowissenschaften.
Terahertz-Wellen (THz) sind elektromagnetische Wellen, die in Bereichen wie Materialwissenschaften, Biotechnologie und Medizin, Elektronik sowie Umwelttechnik ein breites Anwendungsspektrum bieten. Ultrakurze Pulslaser (USP-Laser) werden häufig zurErzeugung hochintensiver, ultrakurzer Terahertz-Wellen eingesetzt. Da dieses Phänomen in extrem kurzer Zeit abläuft, war eine Abbildung bisher nur mit zeitaufgelösten Pump-Probe-Verfahren durch wiederholte Messungen möglich.
Mithilfe von STAMP gelang es der Forschungsgruppe um Nakagawa erstmals, durch die Beobachtung der ultraschnellen Dynamik ferroelektrischer Kristalle mittels ultrakurzer Impulse die Entstehung von Terahertz-Wellen bildlich festzuhalten.
Abbildung 3 zeigt den dynamischen Verlauf der Erzeugung und Ausbreitung von Terahertz-Wellen, der mit einer Bildrate von 4,4 Tfps aufgezeichnet wurde. Zu Beginn werden die Gitterschwingungen zufällig angeregt, richten sich dann aber allmählich phasenmäßig aus und erzeugen ein einzelnes Wellenpaket. Diese Welle breitet sich im Kristall mit etwa einem Sechstel der Lichtgeschwindigkeit aus. Aus den aufgenommenen Bildern lässt sich erkennen, dass es sich um eine elektromagnetische Welle im Terahertz-Bereich handelt.
Abb. 3: STAMP-Bildsequenz der erzeugten Terahertz-Wellen (THz), wenn ein einzelner USP-Laserimpuls die Gitterschwingungen eines ferroelektrischen Kristalls anregt [1].
Abtragung durch ultrakurze Laserimpulse
Ultrakurze Pulslaser, die Pikosekunden- und Femtosekunden-Impulse erzeugen können, werden zunehmend in der Präzisionsmikrobearbeitung eingesetzt. Dazu gehören das Bohren, Ritzen und Markieren von Produkten, die von medizinischen Geräten bis hin zu Smartphone-Komponenten reichen. Denn ultrakurze Pulslaser zeichnen sich durch eine hohe Bearbeitungsgenauigkeit aus. Zudem treten kaum thermische Effekte auf.
Allerdings sind die Einzelheiten des Bearbeitungsprozesses bislang noch weitgehend unbekannt. Die Forschungsgruppe um Nakagawa nutzt STAMP, um diesen Prozess zu untersuchen. Sie haben den Abtragungsprozess eines einzelnen 35-fs-Laserimpulses auf einer Glasprobe bildlich dargestellt.
In diesem Experiment wurde ein zweifarbiges STAMP-System so konfiguriert, dass eine effektive Bildrate von >1 Tfps erreicht wurde. Abbildung 4 zeigt eine Aufzeichnung des Versuchsablaufs. Aus den ursprünglichen zweifarbigen Bildern wurden Elektronendichtekarten erstellt. Anhand der experimentellen Daten lassen sich Größe, Form, Geschwindigkeit und Elektronendichteverteilung der durch den Laserimpuls verursachten Plasmafahne berechnen.
Abb. 4: STAMP-Aufnahme der Plasmafeder, die bei der Abtragung von Glas durch einen einzelnen USP-Laserimpuls entsteht [3].
Die Ausbreitung von Stoßwellen im Wasser
Die Forschungsgruppe um Nakagawa hat die Stoßwellen abgebildet, die durch Laserimpulse im Wasser entstehen. Nakagawa erklärt, dass die Wechselwirkung von Ultraschall und Laser mit lebendem Gewebe für medizinische Behandlungen, die Bildgebung und die Lebenswissenschaften von großer Bedeutung ist. (Wasser ist der Hauptbestandteil von lebendem Gewebe.)
Wie in Abbildung 5 dargestellt, haben sie ein Ausbreitungsdiagramm der Stoßwelle erstellt. Der Graustufenkontrast des Bildes steht für die Stärke der Stoßwelle. Die Forschungsgruppe um Nakagawa untersucht die Wechselwirkung zwischen Stoßwellen und biologischen Zellen, indem sie die von STAMP erfassten dynamischen Prozesse beobachtet.
Abb. 5: STAMP-Aufnahme der Ausbreitung einer durch einen einzelnen Laserimpuls ausgelösten Stoßwelle im Wasser [4].
Warum sollten Sie sich für Astrellavon Coherent entscheiden?
Professor Nakagawa führte folgende Beispiele an Astrella als besonders geeignet für seine STAMP-Forschung. Er merkte an: „Was die Leistung angeht,Astrella einen hochwertigen Ausgangsstrahl, was sehr wichtig ist, da die Strahlqualität sich direkt auf die Bildqualität auswirkt. Astrella erleichtert die Erzeugung mehrerer Teilimpulse, und wir können die Impulsbreite bei Bedarf auf etwa 35 fs komprimieren. Die hohe Impulsenergie (7 mJ) ist ein weiterer entscheidender Vorteil, da bei der zeitlichen und räumlichen Modulation des Ausgangsstrahls zu STAMP-Impulsen Energieverluste entstehen und bei der zweifarbigen STAMP zudem ein Teil der Impulsenergie zur Erzeugung von SHG-Impulsen benötigt wird. Natürlich benötigen wir die Pulsenergie auch zur Anregung der Probe.“
Professor Nakagawa hob zudem mehrere Vorteile hervor, darunter die Tatsache, dass Astrella . Diese einfache Handhabung ist von entscheidender Bedeutung, da der Laser nur eine von vielen Schlüsselkomponenten des Gesamtsystems darstellt. Er merkte an: „Das bedeutet, dass jeder, der STAMP nutzt, kein Laserexperte sein muss, um diese Technologie voll auszuschöpfen. Über eine einfache Benutzeroberfläche lässt sich der Laser präzise steuern. Ebenso wichtig ist, dass wir festgestellt haben, dass Astrella und zuverlässig ist und keine Wartung oder außerplanmäßige Reparaturen und Upgrades erfordert.“
Er fasste zusammen: „Ja, dieser Laser gefällt uns sehr gut.“
Astrella einenAstrella Ausgangsstrahl, was sehr wichtig ist, da die Strahlqualität sich direkt auf die Bildqualität auswirkt. Astrella erleichtert die Erzeugung mehrerer Teilimpulse, und wir können die Impulsbreite bei Bedarf auf etwa 35 fs verkürzen.“
– Keiichi Nakagawa, Assistenzprofessor an der Universität TokioZusammenfassung
Das Nakagawa-Labor hat diese einzigartige Methode zur Aufnahme von Ultra-Hochgeschwindigkeitsvideos einzelner Ereignisse entwickelt, um seine Forschung voranzutreiben. Dank ihrer kontinuierlichen Innovationen und Astrella zu einer flexiblen und benutzerfreundlichen Technologie. Dadurch eignet sie sich für eine breite Anwendung in anderen Forschungsbereichen der schnellen Dynamik im Femtosekunden- bis Nanosekundenbereich.
Literaturverzeichnis
[1] K. Nakagawa et al., „Sequentially timed all-optical mapping photography (STAMP)“. Nature Photonics 8, 695–700 (2014).
[2] T. Saiki et al., „Spectrum circuit for producing spectrally separated nanosecond pulse train in free space.“ CLEO 2020, Online, Mai 2020.
[3] K. Shimada et al., „Electron density imaging of ultrafast dynamics with two-color STAMP.“ ALPS2021, Online, April 2021.
[4] T. Saiki et al., „Nanosekunden-Einzelbild-Bildgebungssystem mit einer Belichtungszeit im Pikosekundenbereich zur Überwachung der Auswirkungen von Stoßwellen auf Zellen.“ Symposium on Shock Waves in Japan, Online, März 2021.